系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)掀起新浪潮
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隨著全球消費(fèi)電子市場(chǎng)繁榮發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師要開(kāi)發(fā)出符合消費(fèi)者期望的產(chǎn)品，其面臨的壓力日漸增加。更豐富的功能依然倍受消費(fèi)者的青睞，但是，盡管更多功能可幫助廠商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，也彌補(bǔ)了較高的價(jià)格導(dǎo)致的劣勢(shì)地位，但每增加一個(gè)新的功能，制造商都必須同時(shí)滿足消費(fèi)者對(duì)電池壽命的需求。例如，高分辨率彩色顯示器目前已得到廣泛采用，以實(shí)現(xiàn)更理想的瀏覽效果，許多設(shè)備還采用了先進(jìn)的用戶接口，但這些新的先進(jìn)功能對(duì)電池壽命帶來(lái)了極大的考驗(yàn)，而這也是消費(fèi)者最不愿犧牲的性能特點(diǎn)之一。
此外，如今的消費(fèi)者希望他們的電子設(shè)備能夠在不斷縮小體積的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)卓越的性能，帶來(lái)更強(qiáng)的音頻/視頻體驗(yàn)。當(dāng)然，成本也一直是他們最關(guān)心的因素之一。
然而，直到最近，設(shè)計(jì)師還在為新型應(yīng)用要求的存儲(chǔ)密度、隨機(jī)存取速度及電源之間如何取舍進(jìn)退維谷，他們不得不在速度、存儲(chǔ)容量或電池壽命之間做出選擇。無(wú)論他們選擇增強(qiáng)哪一項(xiàng)功能，其他兩項(xiàng)的性能都會(huì)受到影響，這顯然與消費(fèi)者的期望背道而馳，廠商也可能因此在市場(chǎng)上陷入劣勢(shì)。
除此之外，設(shè)計(jì)師重點(diǎn)攻克的領(lǐng)域一直以來(lái)都是簡(jiǎn)化硬件開(kāi)發(fā)，但要在市場(chǎng)上取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要為制造商打造整體解決方案、縮短設(shè)計(jì)周期和上市時(shí)間，設(shè)計(jì)師還必須采取硬件和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，將軟件納入設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)范疇。
要同時(shí)滿足上述所有需求，系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）設(shè)計(jì)不失為一個(gè)理想的解決方案，它能為半導(dǎo)體供應(yīng)商和制造商打造他們孜孜以求的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)將所有必需的功能集成在芯片上，既可減少芯片數(shù)量，又能夠極大地降低功耗，整體物料成本也能降低許多，同時(shí)還縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。隨著新型消費(fèi)電子產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，某些設(shè)備的尺寸正在縮小到難以置信的地步，與此同時(shí)，SoC的集成式設(shè)計(jì)為廠商提供了一個(gè)迎合如今最熱門趨勢(shì)的途徑。
作為模擬和混合信號(hào)IC領(lǐng)域領(lǐng)先的供應(yīng)商，矽瑪特公司（SigmaTel）從未停止過(guò)創(chuàng)新的步伐，一直致力于滿足今天消費(fèi)者的需求。為了給設(shè)計(jì)師提供更靈活地開(kāi)發(fā)各種尺寸、各種價(jià)位、包含不同特征的新型便攜式設(shè)備的空間，矽瑪特開(kāi)發(fā)了可降低功耗和成本的高度可編程的SoC。此外，矽瑪特的技術(shù)適用于任何要求小巧尺寸的設(shè)備。許多國(guó)際知名品牌都已經(jīng)在其內(nèi)置MP3播放器的手表、太陽(yáng)鏡等創(chuàng)新型產(chǎn)品中采用了矽瑪特的SoC。
矽瑪特最新的STMP3600系列－第四代單芯片數(shù)字媒體系統(tǒng)為設(shè)計(jì)師們提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，可幫助他們滿足消費(fèi)者的嚴(yán)格要求。STMP3600可應(yīng)用于數(shù)字音頻播放器、PDA、錄音機(jī)、手機(jī)、便攜式視頻播放器和數(shù)碼照片夾中，這一理想的解決方案可幫助客戶集更長(zhǎng)電池壽命、更少外部元件、更高處理性能、出色的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試支持于一體，實(shí)現(xiàn)上述最完美的功能組合。
為有效管理功耗，在SoC中集成一個(gè)功率管理單元不失為理想的解決方案。通過(guò)單芯片對(duì)其上的元件和固件布局進(jìn)行優(yōu)化，以取代多芯片布局，可以大幅降低功耗。如果再集成一個(gè)智能的鋰離子電池充電器以及對(duì)自動(dòng)電壓控制（AVC）的支持功能，該功率管理單元可將系統(tǒng)功耗降低至原來(lái)的一半。此外，與典型的電壓控制系統(tǒng)相比，在AVC的支持下，芯片的CPU可以以更高的頻率運(yùn)行，這樣就可以在任何應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的處理性能。矽瑪特STMP3600就正內(nèi)置了效率最高的功率管理單元，可在降低便攜式應(yīng)用功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的電池壽命。
應(yīng)用靈活性的最大化可通過(guò)盡量減少外部元件的數(shù)量和提供軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試支持來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，還必須打造多功能接口，以支持與各種閃存、ATA驅(qū)動(dòng)器、串行總線或液晶顯示器（LCD）的連接，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙、WiFi等先進(jìn)連接應(yīng)用。
至于SoC上的中央處理器，具有兩個(gè)緩沖存儲(chǔ)器、內(nèi)置了SRAM并集成了存儲(chǔ)管理單元（MMU）的ARM926 EJ-S CPU不失為理想的功能組合，它可提供所需的處理功率，以支持音頻交叉衰減和后處理、MP3和Windows Media Audio（WMA）編碼、靜止和運(yùn)動(dòng)視頻解碼等先進(jìn)功能?；谄銩RM內(nèi)核，消費(fèi)電子開(kāi)發(fā)者在現(xiàn)在及將來(lái)均可更靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，選擇何種存儲(chǔ)器作為新產(chǎn)品的接口，選擇采用何種操作系統(tǒng)。這一特別的內(nèi)核還包括ARM的DSP擴(kuò)展功能，這樣芯片供應(yīng)商就可以不斷開(kāi)發(fā)低功耗數(shù)字音頻控制器產(chǎn)品，同時(shí)還可為高端應(yīng)用提供所需的額外處理能力。
ARM9EJ-S包含2個(gè)指令集：ARM狀態(tài)下的32位指令集和Thumb狀態(tài)下的16位指令集。內(nèi)核可選擇在ARM或Thumb狀態(tài)下運(yùn)行，或者在混合狀態(tài)下運(yùn)行，這樣代碼的密度和性能都可得到優(yōu)化。ARM的研究表明，典型Thumb代碼的尺寸僅為同等ARM代碼的65%， 但在對(duì)存儲(chǔ)帶寬有所限制的應(yīng)用中可將性能提升至其160%。
初始引導(dǎo)和硬件初始化可通過(guò)包含芯片供應(yīng)商預(yù)先寫(xiě)入的初始化代碼的16K、32位片上掩膜可編程 ROM來(lái)實(shí)現(xiàn)。為保證設(shè)計(jì)的靈活性，ROM還需要集成軟件，以提供大量的引導(dǎo)配置選擇，包括用于老化和測(cè)試操作的制造引導(dǎo)模式，以及可從NAND閃存設(shè)備、NOR閃存設(shè)備、ATA硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等芯片外設(shè)備加載應(yīng)用模式、從EEPROM設(shè)備加載I2C主機(jī)模式、從外部主機(jī)加載SPI主機(jī)模式的引導(dǎo)模式和USB恢復(fù)模式，以將上述模式加載到片上RAM。
在開(kāi)機(jī)時(shí)，ARM 內(nèi)核執(zhí)行的第一個(gè)命令來(lái)自 ROM。重設(shè)啟動(dòng)向量的地址位于 0xFFFF0000。片上啟動(dòng)編碼中包含一個(gè)固件恢復(fù)模式。例如，如果設(shè)備不能從NAND 閃存、NOR 閃存或硬盤(pán)中啟動(dòng)，設(shè)備就會(huì)嘗試從 PC 主機(jī)連接到 USB 端口。
此外，一個(gè)支持存儲(chǔ)量高達(dá)512M外部 NOR 閃存設(shè)備的外部存儲(chǔ)接口（EMI）控制器可用作連接SDRAM 的存儲(chǔ)芯片。為了獲得最高的存儲(chǔ)效率，它需要與16位寬存儲(chǔ)系統(tǒng)和支持 16M 到 512M JEDEC 的 SDRAM 系列產(chǎn)品一起使用。
USB控制器是 SoC 的基本外設(shè)之一。通過(guò)將一個(gè)專用 DMA 集成到 USB 控制器中并把它直接連接到高速 AHB 總線，USB可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)中大量描述符、隊(duì)列頭和封抱載荷傳輸?shù)母叨入S機(jī)訪問(wèn)。
為了最大限度地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用靈活性，STMP3600 集成了種類繁多的I/O外設(shè)，它幾乎可以連接各種類型的閃存、ATA 驅(qū)動(dòng)器、串行總線或智能 LCD。此外，它還可通過(guò)集成高速應(yīng)用 UART 和 SDIO 控制器，實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙和 WiFi 等高級(jí)應(yīng)用連接。其中包括一個(gè)帶有耳機(jī)/揚(yáng)聲器放大器、8 通道低分辨率高分辨率 ADC、大電流電池充電器、5V 線性穩(wěn)壓器、帶有嵌入式 PHY 的高速 USB 2.0 OTG 和各種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的高分辨率音頻編解碼器。諸如 ADC 或 DAC 數(shù)據(jù)流、SPDIF 發(fā)射器等其他外設(shè)可共享一個(gè)集中的地址產(chǎn)生和數(shù)據(jù)傳輸功能，使之實(shí)現(xiàn) AHB 的主機(jī)單獨(dú)共享。
由于高度的片上集成，矽瑪特 STMP3600 只需很少的外部元件即可構(gòu)建一個(gè)完整的系統(tǒng)。這個(gè)特點(diǎn)可幫助制造商滿足消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)體積更小、功能更豐富、成本更低的產(chǎn)品需求。矽瑪特 STMP3600 集成了一整套便攜音頻播放器所需的模擬元件，可節(jié)省多達(dá) 20% 的印刷電路板（PCB）占板空間。
ARM926EJ-S CPU 是 STMP3600 的中央處理器，內(nèi)部配置了雙緩存、嵌入式 SRAM 和一個(gè)作為集成存儲(chǔ)管理單元。它可處理支持交叉衰減與后處理、 MP3 與 Windows Media Audio（WMA）編碼以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)視頻解碼等先進(jìn)功能。STMP3600 能夠提供完整的微軟™ Windows Media 數(shù)字版權(quán)管理（第 10 版），并支持 PlaysForSure™ 標(biāo)識(shí)認(rèn)證程序。上述功能與其他功能都被集成到矽瑪特的軟件開(kāi)發(fā)工具包中。該軟件工具包專為 STMP3600 編寫(xiě)，可加速多種多媒體應(yīng)用產(chǎn)品的上市速度。
通過(guò)連接 DMA 的命令列表可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)橋接 DMA的控制。CPU 在啟動(dòng) DMA 之前就設(shè)定了DMA 命令鏈，DMA 命令鏈中包含外設(shè)和相關(guān) DMA 通道的設(shè)置信息。DMA 控制器讀取 DMA 命令后寫(xiě)入任意外設(shè)設(shè)置，命令外設(shè)啟動(dòng)并傳輸數(shù)據(jù)，這一切都不需要 CPU 的干預(yù)。CPU 可在命令鏈的末尾加入命令， 以保持?jǐn)?shù)據(jù)順暢流動(dòng)。連接 DMA 命令架構(gòu)將大部分實(shí)時(shí) I/O 控制轉(zhuǎn)移到 DMA 控制器上，從而減輕了 CPU 的負(fù)擔(dān)。
高性能、低功耗、高效率的軟件功能管理也可通過(guò)高效的時(shí)鐘架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。例如，矽瑪特 STMP3600 共有三個(gè)時(shí)鐘源（2 個(gè)晶振和1 個(gè)鎖相環(huán)（PLL）），這三個(gè)時(shí)鐘源分別被分配到 24 個(gè)時(shí)鐘域當(dāng)中。多個(gè)時(shí)鐘域有不同的頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)最小的功耗。用于多種外設(shè)的高速總線時(shí)鐘有一種自動(dòng)減緩模式，能夠在低功耗的條件下保持設(shè)備的高性能。
STMP3600 還集成了一個(gè)完善的電源子系統(tǒng)，它具有如下特點(diǎn)：
• 兩個(gè)集成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，可支持 1 節(jié) 、2 節(jié)和鋰離子電池；
• 兩個(gè)線性穩(wěn)壓器直接用 5V 電壓供電；
• 鎳氫電池和鋰離子線性電池充電器；
• 電池電壓和低電壓監(jiān)測(cè)；
• 重啟控制器；
• 系統(tǒng)溫度與速度監(jiān)視器；
• 用于 VDD、I/O 和 5V 電源的持續(xù)低電壓檢測(cè) ；
• 鋰離子產(chǎn)生 USB-OTG 5V 電壓（采用PWM）；
• 支持5V和電池供電之間的不工作轉(zhuǎn)換；
• 集成的 FET 開(kāi)關(guān)向外設(shè)供電。
評(píng)論